锂电池组储能的混合动力RTG系统设计

常奇　王玥　牛王强

摘 要： 锂电池组与柴油机构成的混合动力起重机系统是港口节能减排的一项重要技术。针对起重机再生制动能量的回收，设计了双向DC?DC变换器来实现锂电池组储能系统的两种工作模式（再生制动模式和锂电池组放电模式）；对双向DC?DC变流器升压工作方式设计了双闭环控制器，降压工作方式设计了电流环和电压环两种控制器，并进行了对比，从而实现了对锂电池组储能系统充、放电过程和不同运行模式间切换过程的控制。运用PLECS搭建了系统仿真模型，仿真结果表明，在制动能量回收过程中，采用电压环控制器可以实现较高效率的制动能量回收。

关键词： 混合动力轮胎式起重机； 锂电池组； 双向DC?DC变换器； 再生能源存储； PLECS

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0132?05

Abstract： The hybrid power system of rubber tyred gantry crane （RTGC）， which consists of a lithium battery pack and a diesel engine， is important for energy conservation and emission reduction in the port. To solve the problem of energy storage in the backing mode of RTGC， a bidirectional DC?DC converter was designed to achieve two operating modes （regenerative braking mode and lithium battery pack discharge mode） of lithium battery pack storage device. A double closed?loop controller was designed for the boost operating mode of bidirectional DC?DC converter. Two controllers with a current loop and voltage loop was designed for the buck operating mode of the bidirectional DC?DC converter. With the controllers， the control of lithium battery pack storage system was realized in the charging， discharging and switching process of the different modes. The PLECS is used to build a simulation model of the system. The simulation results show that the voltage loop controller can efficiently implement the braking energy recovery in the braking process.

Keywords： hybrid power RTGC； lithium battery pack； bidirectional DC?DC converter； regenerative energy storage； PLECS

0 引 言

轮胎式集装箱起重机（RTG）是从20世纪70年代初逐渐发展起来的一种集装箱堆场作业的专用装卸设备。常规RTG的能量源为柴油发电机组，其能量转换效率低且能耗大。在能源日趋紧张的今天，如何减少能量消耗及合理回收其制动阶段产生的能量成为目前研究的必然趋势。混合动力RTG就是将起重机下放集装箱时释放的能量收集起来，转化为电能，然后在需要时重新提供给起重机。这种RTG不仅节能环保，而且可以保证常规RTG操作灵活的优势。

近年来，双向DC?DC变换器以其优良的特性在数控机床、地铁、电力机车、电动汽车等领域得到了广泛的应用。文中混合动力RTG再生制动能量采用锂电池组进行存储，出于对串联电池数量与高电压电机的矛盾及对制动能量回收的考虑，促使双向DC?DC变换器在混合动力RTG上的使用，而双向DC?DC变换器是影响混合动力RTG性能的重要因素之一。

对混合动力RTG的研究早已成为国内外关注的重点，尤其是双向DC?DC变换器的建模与控制在混合动力RTG方面的应用。文献[1]主要从基于超级电容器的混合动力RTG的能量管理和控制策略方面进行研究；文献[2?3]利用状态空间平均法建立三电平双向DC?DC变换器的小信号模型，使用二项式准则和巴特沃斯准则对DC?DC变换器的控制器进行设计，实现了基于超级电容器的混合动力RTG的制动能量回收和不间断运行状态。

为了更好地模拟混合动力起重机系统的运行过程，文中根据混合动力RTG运行的各个工作模式的特点，针对锂电池储能系统充放电方式的不同设计了不同的控制策略，按时间节点进行切换，并进行了建模仿真，来实现控制策略。

1 混合动力RTG结构及工作模式

混合动力系统（Hybrid Power System）发明于19世纪末，已经被成功地应用于电动汽车领域。鉴于其在汽车上的成功应用，近年来混合动力系统已成为工程机械节能降耗、降低废气排放的重要研究课题之一，而混合动力RTG正是其工程应用的一种具体体现。混合动力RTG通过柴油发动机和锂电池组系统协同工作，将再生制动时产生的能量转换为电能，存储在锂电池组中，需要时可以利用，从而减少柴油消耗和废气排放。

对常规RTG的改造主要是混合动力RTG系统的应用，混合动力系统主要由小功率柴油发电机组、锂电池组和双向DC?DC变换器组成，其工作原理及能量流动如图1所示。

混合动力RTG系统中，实现能量传递的核心单元是双向DC?DC变换器，其功能是监测机组运行状态，并实现对锂电池组的充放电，控制能量流动的传输方向。

该混合动力系统在运行过程中主要有3种工作模式：柴油发电机模式、再生发电模式和锂电池组放电模式。图2（a）为柴油发电机模式，当RTG起重机处于加速提升集装箱或平移状态，电动机负载从柴油发电机组获得能量。图2（b）为再生发电模式，当RTG起重机处于提升集装箱减速运行和下放集装箱时，负载电动机处于发电模式，并通过双向DC?DC变换器给锂电池组进行充电。图2（c）为锂电池组放电模式，当RTG起重机处于再次加速提升集装箱状态，且锂电池组储能充足时，电动机负载从锂电池组获得能量，锂电池组通过双向DC?DC变换器放电。

2 混合动力RTG的关键技术

混合动力RTG起重机的关键性技术是对锂电池组和双向DC?DC变换器的研究，锂电池组作为储能元件，双向DC?DC变换器用来控制锂电池组的充放电。接下来将分别对其进行介绍。

2.1 锂电池组

目前用于混合动力RTG能量储蓄单元的主要有超级电容器和锂电池2种。

超级电容器具有功率密度高、充电时间极短和使用寿命特别长等优点；但是，超级电容器的漏流自放电现象比较严重，长时间的搁置会内耗掉能量，易受充放电流和温度等因素的影响，作为动力电源难以控制。

锂电池具有储存容量大、放电电流稳定、无污染及安全性能好等优点，是RTG上理想的能量储蓄单元。目前将锂电池作为能量储蓄单元并且使用得较好的，是日本住友重工研发的混合动力电源系统（Hybrid Power System）。整个锂电池系统由许多小的供电单元组成，对每个小供电单元进行电池温度和充电量的监测，监测其充、放电是否过量，并且在整个操作过程中保持电池的输出功率处于稳定状态，从而提高电池的使用寿命。住友重工的实测数据表明，该电池系统的使用寿命可达7.5年，较好地改善了锂电池寿命较短的缺点[4]。

现以提升机构为例进行说明。当吊具提升集装箱时，能量流向是由柴油发电机组供给到电动机负载；当吊具下放集装箱时，能量流向是将电动机再生制动能量回送到锂电池组（经过DC?DC变换器控制），多余部分消耗在制动电阻上；当吊具提升集装箱且锂电池组储能充足时，能量流向是由锂电池组供给到电动机负载（经过DC?DC变换器控制），直到锂电池组放电结束，柴油发电机开始供能。由此可见，双向DC?DC变换器是控制能量流向的关键设备。

3 混合动力系统控制策略

根据前述混合动力RTG系统工作模式的不同，双向DC?DC变换器分别工作在Boost模式和Buck模式。当起重机负载处于再生制动状态，且由锂电池组供电时，双向DC?DC变换器工作于Boost模式，保证起重机的正常运行；当起重机负载处于发电状态时，双向DC?DC变换器工作于Buck模式，从而实现对再生能量的回收。混合动力RTG系统需要保证双向DC?DC变换器的输出电压、电流保持在一个稳定的范围内，在升压过程中，能有效地减少逆变系统输入的直流电压纹波，保证驱动性能；在降压过程中，使变换器电压输出平稳，减少电流波动对电池充电性能所造成的影响。下文将对双向DC?DC变换器两种工作模式控制器进行设计，并完成仿真实验。

5 结 语

本文分析了混合动力RTG系统各个工作模式的特点，并对再生制动能量回收过程分别设计了混合动力系统电流环和电压环控制策略。通过PLECS仿真，有效地完成了混合动力RTG系统提升和下放集装箱过程的仿真实验。仿真结果表明，采用电压环控制器可以实现再生制动能量较高效率的回收，从而使整个系统可以采用小功率的柴油机发电组，并达到节能减排的目的。

参考文献

[1] KIM Sang?Min， SUL Seung?Ki. Control of rubber tyred gantry crane with energy storage based on supercapacitor bank [J]. IEEE Transactions on Power Electron， 2006， 21（5）： 1420?1427.

[2] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. Mode?ling and control of the ultracapacitor?based regenerative controlled electric drives [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2011， 58（8）： 3471?3484.

[3] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. A bidirectional three?level DC?DC converter for the ultracapacitor applications [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010， 57（10）： 2415?2430.

[4] 陈光.基于锂电池的混合动力RTG[J].港口装卸，2011（6）：35?36.

[5] Dubarry M， Vuillaume N， Liaw B Y. From Li?ion single cell model to battery pack simulation [C]// Proceeding of 2008 IEEE International Conference on Control Applications. [S.l.]： IEEE， 2008： 708?713.

[6] CHEN Min， RINCON?MORA G A. Accurate electrical battery model capable of predicting runtime and I?V performance [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2006， 21（2）： 504?511.

[7] 马奎安，陈敏.超级电容器储能系统充电模式控制设计[J].机电工程，2010，27（7）：85?88.

[8] 丁惜瀛，于华，李健，等.基于模糊PI控制的电动汽车双向DC/DC变换器[J].大功率变流技术，2012（1）：13?16.

[9] 徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[10] 陈旭，谷盛，梁克，等.基于Simulink的轮胎门式起重机柴电混合动力系统仿真[J].中国水运（下半月），2011，11（4）：87?90.

对常规RTG的改造主要是混合动力RTG系统的应用，混合动力系统主要由小功率柴油发电机组、锂电池组和双向DC?DC变换器组成，其工作原理及能量流动如图1所示。

混合动力RTG系统中，实现能量传递的核心单元是双向DC?DC变换器，其功能是监测机组运行状态，并实现对锂电池组的充放电，控制能量流动的传输方向。

该混合动力系统在运行过程中主要有3种工作模式：柴油发电机模式、再生发电模式和锂电池组放电模式。图2（a）为柴油发电机模式，当RTG起重机处于加速提升集装箱或平移状态，电动机负载从柴油发电机组获得能量。图2（b）为再生发电模式，当RTG起重机处于提升集装箱减速运行和下放集装箱时，负载电动机处于发电模式，并通过双向DC?DC变换器给锂电池组进行充电。图2（c）为锂电池组放电模式，当RTG起重机处于再次加速提升集装箱状态，且锂电池组储能充足时，电动机负载从锂电池组获得能量，锂电池组通过双向DC?DC变换器放电。

2 混合动力RTG的关键技术

混合动力RTG起重机的关键性技术是对锂电池组和双向DC?DC变换器的研究，锂电池组作为储能元件，双向DC?DC变换器用来控制锂电池组的充放电。接下来将分别对其进行介绍。

2.1 锂电池组

目前用于混合动力RTG能量储蓄单元的主要有超级电容器和锂电池2种。

超级电容器具有功率密度高、充电时间极短和使用寿命特别长等优点；但是，超级电容器的漏流自放电现象比较严重，长时间的搁置会内耗掉能量，易受充放电流和温度等因素的影响，作为动力电源难以控制。

锂电池具有储存容量大、放电电流稳定、无污染及安全性能好等优点，是RTG上理想的能量储蓄单元。目前将锂电池作为能量储蓄单元并且使用得较好的，是日本住友重工研发的混合动力电源系统（Hybrid Power System）。整个锂电池系统由许多小的供电单元组成，对每个小供电单元进行电池温度和充电量的监测，监测其充、放电是否过量，并且在整个操作过程中保持电池的输出功率处于稳定状态，从而提高电池的使用寿命。住友重工的实测数据表明，该电池系统的使用寿命可达7.5年，较好地改善了锂电池寿命较短的缺点[4]。

现以提升机构为例进行说明。当吊具提升集装箱时，能量流向是由柴油发电机组供给到电动机负载；当吊具下放集装箱时，能量流向是将电动机再生制动能量回送到锂电池组（经过DC?DC变换器控制），多余部分消耗在制动电阻上；当吊具提升集装箱且锂电池组储能充足时，能量流向是由锂电池组供给到电动机负载（经过DC?DC变换器控制），直到锂电池组放电结束，柴油发电机开始供能。由此可见，双向DC?DC变换器是控制能量流向的关键设备。

3 混合动力系统控制策略

根据前述混合动力RTG系统工作模式的不同，双向DC?DC变换器分别工作在Boost模式和Buck模式。当起重机负载处于再生制动状态，且由锂电池组供电时，双向DC?DC变换器工作于Boost模式，保证起重机的正常运行；当起重机负载处于发电状态时，双向DC?DC变换器工作于Buck模式，从而实现对再生能量的回收。混合动力RTG系统需要保证双向DC?DC变换器的输出电压、电流保持在一个稳定的范围内，在升压过程中，能有效地减少逆变系统输入的直流电压纹波，保证驱动性能；在降压过程中，使变换器电压输出平稳，减少电流波动对电池充电性能所造成的影响。下文将对双向DC?DC变换器两种工作模式控制器进行设计，并完成仿真实验。

5 结 语

本文分析了混合动力RTG系统各个工作模式的特点，并对再生制动能量回收过程分别设计了混合动力系统电流环和电压环控制策略。通过PLECS仿真，有效地完成了混合动力RTG系统提升和下放集装箱过程的仿真实验。仿真结果表明，采用电压环控制器可以实现再生制动能量较高效率的回收，从而使整个系统可以采用小功率的柴油机发电组，并达到节能减排的目的。

参考文献

[1] KIM Sang?Min， SUL Seung?Ki. Control of rubber tyred gantry crane with energy storage based on supercapacitor bank [J]. IEEE Transactions on Power Electron， 2006， 21（5）： 1420?1427.

[2] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. Mode?ling and control of the ultracapacitor?based regenerative controlled electric drives [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2011， 58（8）： 3471?3484.

[3] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. A bidirectional three?level DC?DC converter for the ultracapacitor applications [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010， 57（10）： 2415?2430.

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[6] CHEN Min， RINCON?MORA G A. Accurate electrical battery model capable of predicting runtime and I?V performance [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2006， 21（2）： 504?511.

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[10] 陈旭，谷盛，梁克，等.基于Simulink的轮胎门式起重机柴电混合动力系统仿真[J].中国水运（下半月），2011，11（4）：87?90.

对常规RTG的改造主要是混合动力RTG系统的应用，混合动力系统主要由小功率柴油发电机组、锂电池组和双向DC?DC变换器组成，其工作原理及能量流动如图1所示。

混合动力RTG系统中，实现能量传递的核心单元是双向DC?DC变换器，其功能是监测机组运行状态，并实现对锂电池组的充放电，控制能量流动的传输方向。

该混合动力系统在运行过程中主要有3种工作模式：柴油发电机模式、再生发电模式和锂电池组放电模式。图2（a）为柴油发电机模式，当RTG起重机处于加速提升集装箱或平移状态，电动机负载从柴油发电机组获得能量。图2（b）为再生发电模式，当RTG起重机处于提升集装箱减速运行和下放集装箱时，负载电动机处于发电模式，并通过双向DC?DC变换器给锂电池组进行充电。图2（c）为锂电池组放电模式，当RTG起重机处于再次加速提升集装箱状态，且锂电池组储能充足时，电动机负载从锂电池组获得能量，锂电池组通过双向DC?DC变换器放电。

2 混合动力RTG的关键技术

混合动力RTG起重机的关键性技术是对锂电池组和双向DC?DC变换器的研究，锂电池组作为储能元件，双向DC?DC变换器用来控制锂电池组的充放电。接下来将分别对其进行介绍。

2.1 锂电池组

目前用于混合动力RTG能量储蓄单元的主要有超级电容器和锂电池2种。

超级电容器具有功率密度高、充电时间极短和使用寿命特别长等优点；但是，超级电容器的漏流自放电现象比较严重，长时间的搁置会内耗掉能量，易受充放电流和温度等因素的影响，作为动力电源难以控制。

锂电池具有储存容量大、放电电流稳定、无污染及安全性能好等优点，是RTG上理想的能量储蓄单元。目前将锂电池作为能量储蓄单元并且使用得较好的，是日本住友重工研发的混合动力电源系统（Hybrid Power System）。整个锂电池系统由许多小的供电单元组成，对每个小供电单元进行电池温度和充电量的监测，监测其充、放电是否过量，并且在整个操作过程中保持电池的输出功率处于稳定状态，从而提高电池的使用寿命。住友重工的实测数据表明，该电池系统的使用寿命可达7.5年，较好地改善了锂电池寿命较短的缺点[4]。

现以提升机构为例进行说明。当吊具提升集装箱时，能量流向是由柴油发电机组供给到电动机负载；当吊具下放集装箱时，能量流向是将电动机再生制动能量回送到锂电池组（经过DC?DC变换器控制），多余部分消耗在制动电阻上；当吊具提升集装箱且锂电池组储能充足时，能量流向是由锂电池组供给到电动机负载（经过DC?DC变换器控制），直到锂电池组放电结束，柴油发电机开始供能。由此可见，双向DC?DC变换器是控制能量流向的关键设备。

3 混合动力系统控制策略

根据前述混合动力RTG系统工作模式的不同，双向DC?DC变换器分别工作在Boost模式和Buck模式。当起重机负载处于再生制动状态，且由锂电池组供电时，双向DC?DC变换器工作于Boost模式，保证起重机的正常运行；当起重机负载处于发电状态时，双向DC?DC变换器工作于Buck模式，从而实现对再生能量的回收。混合动力RTG系统需要保证双向DC?DC变换器的输出电压、电流保持在一个稳定的范围内，在升压过程中，能有效地减少逆变系统输入的直流电压纹波，保证驱动性能；在降压过程中，使变换器电压输出平稳，减少电流波动对电池充电性能所造成的影响。下文将对双向DC?DC变换器两种工作模式控制器进行设计，并完成仿真实验。

5 结 语

本文分析了混合动力RTG系统各个工作模式的特点，并对再生制动能量回收过程分别设计了混合动力系统电流环和电压环控制策略。通过PLECS仿真，有效地完成了混合动力RTG系统提升和下放集装箱过程的仿真实验。仿真结果表明，采用电压环控制器可以实现再生制动能量较高效率的回收，从而使整个系统可以采用小功率的柴油机发电组，并达到节能减排的目的。

参考文献

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[3] GRBOVIC P J， DELARUE P， LE MOIGNE P， et al. A bidirectional three?level DC?DC converter for the ultracapacitor applications [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010， 57（10）： 2415?2430.

[4] 陈光.基于锂电池的混合动力RTG[J].港口装卸，2011（6）：35?36.

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[6] CHEN Min， RINCON?MORA G A. Accurate electrical battery model capable of predicting runtime and I?V performance [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2006， 21（2）： 504?511.

[7] 马奎安，陈敏.超级电容器储能系统充电模式控制设计[J].机电工程，2010，27（7）：85?88.

[8] 丁惜瀛，于华，李健，等.基于模糊PI控制的电动汽车双向DC/DC变换器[J].大功率变流技术，2012（1）：13?16.

[9] 徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[10] 陈旭，谷盛，梁克，等.基于Simulink的轮胎门式起重机柴电混合动力系统仿真[J].中国水运（下半月），2011，11（4）：87?90.